Wo die Knochen verletzter Nervenzellen heilen

Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Neurobiologie in Martinsried und für Molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden zeigen nun, dass ausgereifte Nervenzellen des Zentralen Nervensystems kein aktives Zentrosom mehr besitzen – ihre Mikrotubuli können sich unabhängig vom Zentrosom neu bilden. Dies widerlegt die Lehrmeinung zum Ursprung von Mikrotubuli und zeigt, dass ein essentieller Prozess zur Regeneration auch in ausgereiften Nervenzellen zur Verfügung steht. [Science Express]

Zellen sind die Bausteine aller Lebewesen. Angepasst an ihre sehr unterschiedlichen Aufgaben, gibt es eine Vielzahl verschiedener Zelltypen und -formen. Diese reichen von nahezu runden Hefezellen bis hin zu tausendfach verzweigten Nervenzellen. Ermöglicht werden diese verschiedenen Zellformen durch das Zellskelett, das den Zellen Stabilität und Struktur verleiht. Das Zellskelett besteht aus kleinen Proteinröhrchen, den Mikrotubuli, die je nach Bedarf verlängert oder verkürzt werden können. So kann eine Zelle wachsen oder zum Beispiel einen Fortsatz bilden und wieder zurückziehen. Doch auch die Zellteilung wäre durch die stabilisierenden und richtungsweisenden Mikrotubuli nicht möglich.

Nach der bisherigen Lehrbuchmeinung entstehen Mikrotubuli am Zentrosom, einer Struktur in der Nähe des Zellkerns, die auch als „Mikrotubuli Organisierendes Zentrum“ bezeichnet wird. Seine Rolle bei der Zellteilung und der Mikrotubuli-Entstehung macht das Zentrosom auch für Neurobiologen sehr interessant. Denn ausgereifte Nervenzellen können sich generell nicht mehr teilen und wachsen im Gehirn und Rückenmark nach einer Verletzung nicht mehr aus. Könnte dies daran liegen, dass das Zentrosom seine Funktion in diesen Nervenzellen verliert?

Dieser Frage gingen Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Neurobiologie in Martinsried zusammen mit ihren Kollegen vom Max-Planck-Institut für Molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden und des Erasmus Medical Centers in Rotterdam auf den Grund. Wie die Forscher nun im Fachmagazin Science berichten, ist das Zentrosom in ausgereiften Nervenzellen tatsächlich inaktiv. Ohne aktives Zentrosom sollte die Teilung dieser Nervenzellen sehr schwer werden.

Nach diesem Fund lag die nächste Frage auf der Hand: Ist das inaktive Zentrosom auch ein Grund dafür, dass Nervenzellen im Gehirn und Rückenmark nach einer Verletzung nicht mehr auswachsen? Erst vor Kurzem konnten die Martinsrieder Neurobiologen zeigen, dass die Mikrotubuli am Ende solch einer verletzten Nervenzelle völlig durcheinandergeraten. Neue Mikrotubuli müssten nach der gängigen Meinung vom Zentrosom „nachgeschoben“ werden, was natürlich bei einem inaktiven Zentrosom nicht möglich ist.

Um diese Frage zu klären, untersuchten die Max-Planck-Wissenschaftler aus Martinsried und Dresden anhand von Zellkulturen, wo Mikrotubuli in Nervenzellen entstehen. Dazu zerlegten sie die Proteinröhrchen zunächst in ihre Einzelteile und beobachteten dann ihren erneuten Aufbau in den Zellen. Wie erwartet entstanden die Mikrotubuli in jungen Nervenzellen vor allem am Zentrosom. Jedoch nicht ausschließlich: Einzelne Mikrotubuli bildeten sich auch an ganz anderen Stellen des Zellkörpers. „Die wirkliche Sensation zeigte sich aber erst, als wir ausgereifte Nervenzellen untersuchten“, berichtet Michael Stiess von seiner Arbeit. Denn auch in diesen Zellen entstanden neue Mikrotubuli – und zwar überall in der Zelle, nur nicht am Zentrosom.

Die Ergebnisse widerlegen die Lehrmeinung, dass Mikrotubuli vom Zentrosom aus gebildet werden. Das hat auch Konsequenzen für die Regeneration von Nervenzellen, denn anscheinend können Mikrotubuli direkt an einem verletzten Ausläufer einer Nervenzelle gebildet werden und müssen nicht erst aufwendig vom Zellkörper dorthin transportiert werden. Wichtig ist hier auch eine weitere Entdeckung der Wissenschaftler: Die vor Ort gebildeten Mikrotubuli reichen aus, um eine Nervenzelle auswachsen zu lassen. So wuchsen selbst junge Nervenzellen weiter, obwohl die Wissenschaftler ihre Zentrosome mit einem speziellen Laser entfernt hatten. „Somit sollte eine der Grundvoraussetzungen für die Regeneration von Nervenzellen auch im Gehirn und Rückenmark zur Verfügung zu stehen“, freut sich Frank Bradke, der Leiter der Studie. Nun gilt es herauszufinden, wie dieser Aufbau von Mikrotubuli und somit das Auswachsen verletzter Nervenzellen im lebenden Organismus angeregt werden kann.

Originalveröffentlichung
Axon Extension Occurs Independently of Centrosomal Microtubule Nucleation
Michael Stiess, Nicola Maghelli, Lukas C. Kapitein, Susana Gomis-Rüth, Michaela Wilsch-Bräuninger, Casper C. Hoogenraad, Iva M. Toli?-Nørrelykke, Frank Bradke.

Science, Express Veröffentlichung am 7. Januar 2010

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